Методологічні особливості сучасної екології

Методологічною засадою сучасної екології є комплексне використання натурних спостережень, вимірювань, експериментальних лабораторних досліджень, екологічного картування і моделювання. Більшості екологічних досліджень притаманний системний підхід.

Сучасні екологічні дослідження мають комплексний характер, охоплюючи дослідження гірських порід (геологія), вивчення хімічного складу повітря, вод, ґрунтів, рослинного і тваринного світу (хімія), спостереження за живими організмами, їх функціонуванням на різних рівнях організації: молекулярно-генетичному, органному, організмовому, популяційному, екосистемному (біологія). Недаремно на межі наук спостерігаються найцікавіші явища, створюються нові науки. Отже, екологічні дослідження об'єднують зусилля спеціалістів багатьох наук. Дедалі більшого значення набувають математичні методи планування експерименту, створення моделі окремого процесу, обробка результатів дослідження, складання прогнозів.

Математичне моделювання допомагає створити цілісну картину того чи іншого явища, передбачити коротко – чи довготермінові наслідки певного порушення функціонування екосистеми в локальному або глобальному масштабі.

Першими системами, які вивчалися кількісними методами, були системи "хижак-жертва" (А. Лотка в 1925 р. і В. Вольтерра у 1926 р. створили математичні моделі росту окремої популяції і динаміки популяцій, пов'язаних відношеннями конкуренції і хижацтва).

Комп'ютерне моделювання досить просте і дає змогу легко модифікувати модель. Останнім часом спостерігається тенденція до більш комплексних моделей, які охоплюють великі території. Перші глобальні моделі світу містили 5 рівнів і зв'язки між ними: народонаселення, промисловість, сільське господарство, природні ресурси, стан довкілля (Дж. Форрестер і група
Д. Медоуза). Про ускладнення моделей свідчить той факт, що на ранніх стадіях моделювання світу кількість співвідношень сягала кількох сотень, тоді як у моделі М. Месаровича і Е. Пестеля їх близько 100 тисяч.

Екологічні дослідження включають спостереження в природі (за окремими видами живих організмів, відносинами між популяціями в екосистемі, впливом абіотичного чинника на функціонування угруповань рослин чи тварин тощо), лабораторні дослідження (аналіз повітря, вивчення активності ферментів, спостереження за діяльністю мікроорганізмів), аналіз отриманої інформації та її математичну обробку, створення на цій підставі теорії чи передбачення наслідків.

Особливістю і складністю екологічних експериментів є те, що світ надзвичайне складний, багатогранний і його компоненти пов'язані в єдине ціле численними зв'язками, тому лабораторні дослідження чи спостереження в природі дуже важко об'єднати, результати одних експериментів перенести на інший рівень.

Останнім часом найновіші досягнення хімії, біології, фізики, математики та інших галузей науки і техніки до послуг екології. Тому і досягнення цієї інтегральної науки дедалі глибші й цікавіші; вони дають змогу побачити цілісність світу, проникнути в його сутність, зрозуміти явища, передбачити наслідки того чи іншого процесу.

Часто проведення досліджень стану довкілля має глобальний характер, зокрема при веденні моніторингу (від лат. "монітор" – той, що наглядає, нагадує, попереджає), вивченні стану озонової оболонки Землі, виявленні негативного впливу на природне середовище кислотних дощів, визначенні зон особливого забруднення Світового океану тощо.

Встановлення хімічного складу і фізичних властивостей елементів довкілля – повітря, води, ґрунтів – досить важке завдання і вимагає певних навичок. Особливістю повітря є його надзвичайна рухливість, тому забруднювач в атмосфері може дуже швидко розсіятися, змінити своє місцеперебування, вступити в хімічну взаємодію з компонентами атмосферного повітря чи іншими забруднювачами. Це саме стосується й води, хоча вона менш рухливе середовище, ніж повітря. Особливістю ґрунтів є їхня мозаїчність – на незначній території хімічний склад різних ділянок може значно відрізнятися за вмістом вологи, концентрацією біофільних елементів, забруднювачів, кислотністю тощо, що зумовлює і відмінності в рослинному і тваринному світі, які, з свою чергу, прямо чи опосередковано впливають на свій екотоп.

Склад повітря, поверхневих вод та ґрунтів взаємно впливають одне на одне. Його формують і живі організми, починаючи від найпростіших – мікроорганізмів – до вищих тварин. Однак найбільший коригувальний вплив на стан довкілля чинить господарська діяльність людини. Саме людина змінює довкілля до невпізнанності, будуючи житло, господарські об'єкти, транспортні артерії, видобуваючи корисні копалини та викидаючи й складаючи відходи виробництва.

Хімічний склад компонентів довкілля змінюється в часі та при зміні умов середовища: температури, вологості, тиску, наявності певних речовин. Він залежить також від характеру рельєфу та його геологічної будови, особливостей і обсягів техногенного тиску, динаміки фізико-географічних умов. Тому відбір проб (місце точок відбору, відстань між ними, обсяги зразків і особливості їх зберігання тощо) має велике значення для правильності встановлення складу природних об'єктів, прогнозування забруднення та його поширення, визначення можливості й швидкості процесів самоочищення повітря чи поверхневих природних вод, загрози фотохімічного смогу під час розв'язання екологічних і народногосподарських завдань.

Від фізико-географічних умов довкілля, особливостей і обсягів його забруднення, пов'язаних із різними типами людської діяльності, залежить вибір методів екологічної оцінки території, об'єкта чи акваторії, час виконання, тривалість і детальність досліджень.

Впродовж останніх років в екологічних дослідженнях все ширше застосовуються геоінформаційні системи (ГІС) – сучасні комп'ютерні технології для картографування та аналізу об'єктів реального світу. ГІС базуються на автоматизації інформаційних процесів, базах картографічних і аерокосмічних даних і дають змогу швидко та комплексно інтерпретувати зібрану інформацію, поновлювати, оперувати нею, поєднуючи з прийняттям управлінських рішень на різних рівнях.

В Україні розроблені карти масштабом 1:200000 і 1:50000, які можна використовувати в природоохоронних, науково-дослідних, рекреаційних цілях з метою ведення моніторингу.

У сучасних екологічних дослідженнях широко використовують методи інших наук – хімії, фізики, геології, біології, математики. Ці методи можна об’єднати в кілька груп:

1. Методи реєстрації та оцінки якості довкілля, насамперед різні типи екологічного моніторингу, зокрема біомоніторинг і біоіндикація, дистанційний аерокосмічний моніторинг.

2. Методи кількісного обліку організмів і методи оцінки біомаси та продуктивності рослин і тварин.

3. Вивчення особливостей впливу різних екологічних чинників на життєдіяльність організмів (як складні й тривалі спостереження в природі, так і, частіше, експерименти в лабораторних умовах – токсикологічні, біохімічні, біофізичні, фізіологічні та ін.).

4. Методи вивчення взаємозв’язків між організмами в багатовидових угрупованнях.

5. Методи математичного моделювання екологічних явищ і процесів, а також екосистем (останнє – набагато складніше), імітаційне моделювання; моделювання від локальних до регіональних і глобальних екологічних процесів і ситуацій.

6. Створення геоінформаційних систем і технологій для розв’язання екологічних питань різних масштабів і в різних сферах діяльності.

7. Комплексний еколого-економічний аналіз стану різних об’єктів, територій, галузей виробництва.

8. Геоекологічні методи дослідження, геоекологічний моніторинг.

9. Технологічні методи екологізації різних виробництв з метою зменшення їх негативного впливу на довкілля.

10. Медико-екологічні методи вивчення впливу різних чинників на здоров’я людей.

11. Методи екологічного контролю стану довкілля: екологічна експертиза, екологічний аудит, екологічна паспортизація.

У зв’язку з тим, що серед перелічених методів сучасної екології в навчальній літературі найменш висвітлені методи біоіндикації, наведемо детальнішу характеристику цих екологічних досліджень.

Інформація про інші методи є в численних підручниках і посібниках з прикладної екології. Методики сучасних хімічних, фізико-хімічних і фізичних методів викладено у темі 3. Метод біоіндикації специфічний, висвітлений менш широко, тому йому приділимо дещо більшу увагу.

Біоіндикація (лат. індикаре – вказувати, виявляти) – метод оцінки абіотичних і біотичних чинників середовища за допомогою біологічних систем.

Організми або їх угруповання, життєві функції яких тісно корелюють з певними чинниками середовища і можуть використовуватися для їх оцінки, називають біоіндикаторами. Ними можуть бути рослини, тварини, мікроорганізми, гриби.

Існують такі форми біоіндикаторів:

неспецифічна – якщо різні чинники зумовлюють однакову реакцію;

специфічна – зміна, пов’язана лише з одним чинником;

чутлива – коли біологічний об’єкт реагує значним відхиленням життєвих проявів від норм;

акумулятивна – біоіндикатор накопичує дію чинника, тривалий час її не виявляючи;

пряма – чинник діє безпосередньо на біологічний об’єкт;

непряма – біоіндикація виявляється лише після зміни стану під впливом інших безпосередньо заторкнених елементів;

рання – коли реакція організму помітна при низьких дозах і короткочасній дії чинника та відбувається в місці впливу чинника на елементарні молекулярні чи біологічні процеси.

Історія фітоіндикації сягає сивої давнини. Перші записи про рослини-індикаториє в працях Теофраста (IV–IIIст. до н.е.). За видом рослин та їх зовнішнім виглядом люди навчилися визначати родючість ґрунтів, відшукувати воду, руди, діставати інформацію про клімат минулих часів.

Залежно від мети фітоіндикація має такі напрями: агроіндикація, біогеохімічна індикація (індикація корисних копалин), галоіндикація, гідроіндикація, геоіндикація, фітоіндикація кліматичних параметрів, природоохоронна (созоекологічна) індикація.

Прикладом фітоіндикації може бути використання рослин із метою визначення кислотності ґрунтів, на яких вони ростуть (табл. 4).

Таблиця 4

Біондикатори	Кислотність	Рослини
Крайні ацидофіли	рН=3...4,5	Сфагнуми (компактний і Магеллановий), Плаун булавовидний
Помірні ацидофіли	рН=4,5...6	Калюжниця болотяна. Жовтеці (їдкий і повзучий)
Слабкі ацидофіли	рН=5...6,7	Медунка. Купина багатоквіткова. Анемона жовтецева.
Аацидофільно нейтральні	рН=4,5...7	Смородина чорна. Малина. Ліщина. Кропива жалка
Нейтрально-базофільні	рН=6,7...7,8	Люцерна. Мати-й-мачуха. Полини (Лерха, цитварний, сіро-зелений)
Базофільні	рН=6,7...8,5	Кермек Гмеліна. Айстра солончакова
Евритрофні	рН=3...8,5	Жовтець повзучий. Спориш. Суниця. Берізка польова

Стресорами можуть бути температура (холод і спека), вода (посуха і затоплення),тиск. шум, магнетизм, електричний струм, хімічні речовини (солі, озон, оксиди ніттрогіну та сульфуру тощо).

Біоіндикатори використовують при веденні двох типів моніторингу:

пасивний моніторинг – дослідження видимих і непомітних пошкоджень чи відхилень від норми – ознак стресового впливу в організмах, що вільно живуть у природі;

активний моніторинг – виявлення впливу біотичних і абіотичних чинників на тест-організми, які перебувають у стандартизованих умовах та на досліджуваній території.

Залежно від змін, що відбуваються з живими організмами, їх угрупованнями, біогеоценозами, ландшафтами під впливом різних чинників, говорять про рівні біоіндикації.

Морфологічні, біоритмічні та поведінкові відхилення від норми в організмів під впливом антропогенних чинників. Вплив на морфологічну структуру. Ще в середині XIX ст. у Великій Британії та Бельгії поблизу содових заводів було помічено зміну форми органів, забарвлення та продуктивності окремих рослин. Морфологічні індикатори використовують для складання екологічних карт (антропогенного забруднення територій), для ведення пошуку родовищ корисних копалин за допомогою дистанційних методів, виявлення засолення ґрунтів тощо.

Макроскопічні зміни — це некрози (відмирання окремих ділянок тканин), на­приклад, крайові некрози листя лип, що ростуть на тротуарах, зумовлені засоленням ґрунтів; зміна забарвлення (під впливом S0₂ в листі смородини руйнується хлорофіл і виявляється червоне забарвлення антоціанів), передчасне старіння (під дією етилену; тому для прискорення дозрівання фруктів їх обробляють цим газом); обпадання листя; зміна форми чи розмірів органів; зниження продуктивності; навіть формування нехарактерної для певного виду крони (у разі забруднення повітря S0₂ і НF дерева набувають кущо- і подушкоподібних форм).

Мікроскопічними змінами може бути зміна розмірів клітин і субклітинних структур (руйнування хлоропластів у листках під впливом оксиду сульфуру (IV) і хлориду натрію).

Вплив на анатомо-морфологічні структури тваринвиявляється в зміні розмірів тіла чи окремих його частин, зміні забарвлення (в 1948 р. у промисловому районі Великої Британії було вперше помічено метелика – темного п'ядуна березового, який пристосувався до зміненого довкілля – темних від осідання сажі й пилу стовбурів беріз: через 50 років кількість його вже становила 99 % місцевої популяції).

Дія на біоритми (наприклад, передчасне пожовтіння та обпадання листя).

Хорологічні та популяційно-динамічні зміни (зміна продуктивності окремого виду, народжуваності й смертності, розширення чи скорочення ареалу).

Біоіндикацію використовують для вивчення стану повітря, вод, ґрунтів, складання карт забруднення території, ведення дистанційного моніторингу. Зокрема, озон і пероксоацетилнітрат як обов'язкові компоненти фотохімічного смогу визначають за появою на листках тютюну, шпинату, кропиви жалкої, тонконога однорічного некротичних плям.

Санітарний стан питної води оцінюють за об'ємом води, в якому міститься одна кишкова паличка (Солі-титр). За цією характеристикою воду поділяють згідно табл. 5.

Таблиця 5

Клас чистоти води	Об'єм води, в якому виявлена одна кишкова паличка, мл	Якість води
І		Здорова
II		Достатньо здорова
III	1,0	Сумнівна
IV	0,1	Нездорова
V	0,01	Цілком нездорова

У місцевостях, де поширюються епідемії тифу чи холери, природні води обов'язково аналізують на наявність збудників цих захворювань.

Бактеріологічний аналіз води може бути індикатором родовищ нафти, рідкоземельних і поліметалевих руд. Мікрофлорою, що свідчить про наявність нафти і газу є бактерії, які окиснюють метан, пропан, пентан, гексан або гептан.

За фізіологічним станом бактерій можна встановити напрям біохімічних процесів, що відбуваються в підземних водах.

У місцевостях, де поширюються епідемії тифу чи холери, природні води обов'язково аналізують на наявність збудників цих захворювань.

Бактеріологічний аналіз води може бути індикатором родовищ нафти, рідкоземельних і поліметалевих руд. Мікрофлорою, що свідчить про наявність нафти і газу є бактерії, які окиснюють метан, пропан, пентан, гексан або гептан.

За фізіологічним станом бактерій можна встановити напрям біохімічних процесів, що відбуваються в підземних водах.

Здатність поглинати радіонукліди яскраво виражена у липи, в'яза, ясена, берези, тополі, тимофіївки, полину, що робить їх не лише індикаторами, а й очисниками природного середовища.

Отже, приглядаючись до рослин і тварин, що нас оточують, помічаючи певні зміни в їх зовнішньому вигляді чи поведінці, можна оцінювати якість навколишнього середовища.

Дата добавления: 2015-05-26